CC BY
19
© С.М. Ткач, A.C. Курилко, Е.К. Романова, 2015
УДК 622.413.3:622.012.3[551.34]
С.М. Ткач, А.С. Курилко, Е.К. Романова
РОЛЬ ТЕППОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ КРИОПИТОЗОНЫ
Описано решение задачи обеспечения эффективности и безопасности эксплуатации карьера криолитозоны путем повышения устойчивости уступа. Обосновано ведущее значение комплексного учета климатических и гидрогеологических условий месторождения при выборе рациональных технических решений по обеспечению устойчивости бортов карьеров. Так же обоснована необходимость проведения исследований на математических моделях по выявлению количественных и качественных особенностей тепловых процессов, происходящих в прибортовых горных массивах карьеров. Подчеркнуто, что основным принципом обеспечения устойчивости бортов карьеров является сокращение растепления в летний период при максимальном ограничении фильтрации вод. Проведены численные исследования на основе разработанной авторами двухмерной математической модели теплообменных процессов в горном массиве уступа карьера, учитывающей фазовый переход влаги и перенос теплоты фильтрацией воды, позволяющей прогнозировать процесс формирования температурного поля в массиве горных пород уступа карьера в зависимости от таких параметров, как климатические и гидрогеологические условия, теплофизические и фильтрационные свойства горных пород, конструктивные особенности уступа, теплофизические свойства и геометрические размеры гидро-теплоизоляции поверхностей уступа. Приведены результаты исследования воздействия надмерзлотных вод на глубину сезонного оттаивания борта карьера в зависимости от различных конструктивных параметров и природно-климатических условий.
Ключевые слова: карьер, криолитозона, надмерзлотные воды, тепловой режим, математическая модель, теплоустойчивость, теплоизоляция, горные породы
К числу основных тенденций развития минерально-сырьевой базы в России и за рубежом является усложнение экономико-географических и горно-технических условий разработки месторождений. В связи с этим перед горной наукой встала сложная задача разработки научных основ и способов повышения эффективности и безопасности ведения горных работ в экстремальных климатических, геотехнологических и геокриологических условиях. Особенно остро проблема стоит при отработке месторождений, расположенных в районах распространения многолет-немерзлых горных пород (64 % территории РФ), которые отлича-
ются резко континентальным климатом, сложностью горнотехнических условий при значительной степени разрушенности и влажности (льдистости) пород, повторяющихся циклах их замораживания — оттаивания, большом количестве выпадающих атмосферных осадков и т. д.
Как известно, одним из способов безопасного и эффективного ведения открытых горных работ является обеспечение устойчивости бортов и уступов карьеров и предупреждение их деформации. Проведенный анализ деформаций откосов уступов и раскрытия трещин на бермах уступов, сложенных многолетнемерз-лыми скальными и полускальными породами, показывает, что основные причины этих деформаций следующие [1]:
1. Выветривание пород, интенсивность которого обусловлена многократно повторяющимися циклами замораживания-оттаивания.
2. Оттаивание вскрытых многолетнемерзлых пород в весенне-летний период года и подвигание отдельных блоков, вызванное таянием ледяных прослоек в трещинах.
Таким образом, климатические условия во многом определяют устойчивость горных пород прибортового массива карьера. В условиях криолитозоны температурные воздействия, в особенности знакопеременные, в значительной степени снижают прочностные характеристики породных массивов и усиливают деформационные процессы при наличии трещин заполненных льдом. Результаты экспериментов, проведенных в ИГДС СО РАН показывают, что прочностные характеристики отдельных видов горных пород, в частности вмещающих пород кимберлитов алмазоносных трубок, при понижении температуры значительно снижаются. Кроме этого выявлено, что прочность пород падает с увеличением числа циклов замораживания-оттаивания. Степень ослабления прочности зависит как от типа породы, пористости, так и от степени водонасыщения [2].
Также рядом исследователей отмечено, что в дождливый период активизируются деформации карьерных откосов и интенсифицируется образование осыпей и оползней [3].
Гидрогеологические условия района и месторождения также во многом определяют прочностные характеристики прибортово-го породного массива и интенсивность деформирования уступов карьеров. Это подтверждается проведенными ИГДС СО РАН исследованиями по выявлению возможных причин и особенностей динамики смещения прибортового горного массива алмазодобывающего карьера «Нюрбинский» АК «АЁРОСА», которые выявили повышенные температуры и снижение прочностных параметров обводненных пород вблизи техногенных водоемов.
Надмерзлотные воды сезонного-талого слоя питаются за счет атмосферных осадков, поверхностных вод, а также более глубоких подземных вод и оттаивания подземных льдов. Движение вод направлено в сторону карьера, а поверхность вечномерзлых грунтов для них является водоупором. Действие надмерзлотных вод как теплоносителя вызывает протаивание нижележащих слоев мерзлого грунта, более интенсивное в направлении движения потока грунтовых вод [4].
Учитывая значительное влияние процессов тепломассообмена на прочностные характеристики прибортовых породных массивов карьеров криолитозоны, во многом определяющих устойчивость уступов карьера, на разработанной математической модели были проведены исследования теплового влияния инфильтрационных и фильтрационных потоков влаги на интенсивность происходящих негативных деформаций уступов и динамику глубины сезонного оттаивания горных пород в зависимости от таких параметров, как климатические условия, теплофизические и фильтрационные свойства горных пород, уклон склона и высота уступа, геометрические размеры водоема, находящегося вблизи карьера, теплофи-зические свойства и геометрические размеры возводимой теплоизоляции склона и верхней площадки уступа.
Как показали расчеты, на тепловой режим уступа карьера влияет близость нахождения водоема (рис. 1, см. Приложение, с. 438). Если при расстоянии между уступом и водоемом равном 5 м глубина протаивания склона равна 1,67 м, то при расстоянии 2 м склон может протаять до 1,94 м (при высоте уступа равной 15 м).
В зоне теплового влияния водоема на интенсивность сезонного протаивания уступа влияет так же и глубина водоема. В нашем примере, если при глубине водоема 2 м склон протаивает на 1,63 м, то при увеличении глубины водоема до 8 м толщина протаявшего породного слоя склона увеличивается до 1,95 м.
Как известно, при увеличении угла откоса склона убыстряется движение потока надмерзлотных вод в летний период, усиливая тем самым теплообменные процессы и, как следствие этого, интенсивность оттайки пород. Этот факт подтверждается проведенными расчетами, так, если при угле откоса равном 40° глубина протаивания склона равна 1,67 м, то увеличение угла откоса до 60° вызывает углубление сезонного протаивания откоса до 2,63 м (рис. 2, см. Приложение, с. 438).
Расчетами так же подтверждено, что интенсивность сезонного протаивания склона в значительной степени зависит от фильтрационных свойств пород. В частности, при десятикратном увели-
чении коэффициента фильтрации пород глубина протаивания склона увеличивается с 1,67 м до 2,27 м.
Как указано выше, нарушение устойчивости уступов глубоких карьеров криолитозоны вызывается, главным образом, криогенными процессами (режеляция, сублимация, морозное пучение, осадка, растрескивание, дезинтеграция и др.) и наиболее масштабно происходит в процессе формирования сезонно-талого слоя в летний период времени. Применяемые в настоящее время традиционные способы укрепления бортов (крепление анкерами и сеткой, тампонаж и т. д.), не оказывают влияния на динамику протекания криогенных процессов, в связи с этим требуется проведение дополнительных мероприятий [5].
Одним из эффективных способов нейтрализации разрушающих воздействий атмосферного тепла и влаги, по нашему мнению, является возведение вдоль бровки уступа гидро-теплоизоляции, значительно снижающей интенсивность прохождения влаги и тепла вглубь массива горных пород [6]. Как показали расчеты наиболее действенным способом является совместное применение гидроизоляции с теплоизоляцией. Так, если при наличии только гидрофильной теплоизоляции, пропускающей атмосферную влагу, глубина протаивания склона под бровкой уступа равна 0,5 м, то совместное использование гидроизоляции с теплоизоляцией сокращает ее до 0,2 м (толщина 8ИЗ = 0,2 м, коэффициент теплопроводности Лиз = 0,1 Вт/(м-К), ширина Ьиз=5 м гидро-теплоизоляционной полосы).
Кроме этого, расчеты показали, что на сохранение мерзлого состояния массива горных пород уступа большое влияние оказывает выбор оптимальной ширины гидро-теплоизоляционной полосы, возводимой вдоль бровки уступа (Ьиз). Например, если при ширине гидро-теплоизоляция Ьиз = 2 м глубина максимального протаивания склона под бровкой равняется 0,3 м, то при ширине гидро-теплоизоляции 5 м возможно ее сокращение до 0,2 м. Такой же эффект можно получить при увеличении толщины возводимой гидро-теплоизоляции, а так же использовании теплоизоляционных материалов с меньшим коэффициентом теплопроводности (Лиз). Расчеты показали, что утолщение гидро-теплоизоляции с 0,2 м до 0,4 м позволяет сократить глубину протаивания склона под бровкой с 0,2 м до 0,1 м. При использовании теплоизоляционных материалов с коэффициентом теплопроводности Лиз равном 0,01 Вт/(м-К), можно добиться круглогодичного мерзлого состояния массива пород под бровкой: Итап=0 м. (см. рис. 3, см. Приложение, с. 439).
Таким образом, теплофизические исследования могут служить надежной основой для разработки научно-обоснованных рекомендаций по обеспечению устойчивости бортов и уступов карьеров криолитозоны, что позволяет повысить эффективность и безопасность их эксплуатации.
1. Глозман Г. Р. и др. Устойчивость бортов карьеров в условиях многолетней мерзлоты. М. Изд-во Мин Цвет Мет СССР, 1975 г. 51 с.
2. Ткач С.М., Курилко A.C. Особенности эксплуатации глубоких ким-берлитовых карьеров Якутии // Глубокие карьеры: Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием [сб. докл.], г. Апатиты — Санкт-Петербург, 18-22 июня 2012 г. - Апатиты; СПб., 2012. -С. 91-100.
3. Певзнер М. Е. Борьба с деформациями горных пород на карьерах. М. «Недра», 1978. 255с.
4. Шепелев В. В. Надмерзлотные воды. Особенности формирования и распространения. — Якутск: Изд-во Ин-та мерзлотоведения СО РАН, 1995. — 46 с.
5. Изаксон М. В. Управление устойчивостью уступов глубоких карьеров в многолетней мерзлоте теплоизолирующими экранами: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 25.00.20. — Кемерево, 2006. — 24 с.
6. Курилко A.C., Киселев В.В., Хохолов Ю.А., Романова Е.К. Регулирование теплового режима подземных сооружений складского и специального назначения в условиях Севера / А.С. Курилко, В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов, Е.К. Романова, Рос. акад. наук, Сиб. отделение, Учреждение Рос. акад. наук Ин-т горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. — Якутск: Изд-во Инта мерзлотоведения СО РАН, 2011. - 246 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ткач Сергей Михайлович - доктор технических наук, директор, tkach@igds.ysn.ru, Курилко Александр Сардокович - доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, заведующий лабораторией горной теплофизики, a.s.kurilko@igds.ysn.ru,
Романова Елена Константиновна - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории горной теплофизики, helconst@mail.ru. Института горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
UDC 622.413.3:622.012.3[551.34]
EFFECT OF THERMOPHYSICAL RESEARCH TO CRYOLITEZONE DEEP OPENCAST EFFECTIVENESS AND SAFETY EXPLOITATION PROVIDING
Tkach S.M., D.Sc. in Engineering, Russian Scientific Degree «Doctor of Technical Sciences»), Mining Institute of North, Russia,
KurUko A.S., D.Sc. in Engineering, Russian Scientific Degree «Doctor of Technical Sciences»), Mining Institute of North, Russia,
Romanova E.K., Ph.D. in Engineering (Russian Scientific Degree «Candidate of Technical Sciences»), Mining Institute of North, Russia.
The work is dedicated to cryoHtezone opencast effectiveness and safety exploitation providing problem solution by bench stability increasing. It is proved the leading role of integrating the climatic and hydrogeological conditions in the field of rational choice of technical solutions to ensure the stability of pit walls. Also, the necessity of research on mathematical models to identify the quantitative and qualitative characteristics of thermal processes in the mountain ranges side quarries. It was stressed that the basic principle of sustainability is to reduce the pit thawing in the summer with a maximum limitation of water filtration. Numerical studies on the basis of the authors' two-dimensional mathematical model of heat transfer processes in the mountain range scarp career, taking into account the phase transition of moisture and heat transfer water filtration that allows to predict the formation of the temperature field in the array of rock ledge career, depending on variables such as climate and hy-drogeological conditions, thermal and filtration properties of rocks, ledge design features, thermal properties and geometrical dimensions of the hydro-insulation of the surfaces of the ledge. The results of studies of the impact suprapermafrost water to a depth of seasonal thawing pit wall, depending on various design parameters and climatic conditions. Also, the results of research on the choice of the optimal parameters of the hydro-insulation of the edge of the ledge to reduce the damaging effects of temperature and moisture environ-mental protection to the ledge career. Studies have shown that by controlling the parameters of the hydro-insulation of the edge can be stored for a year of frozen state of rock massif under the curve of the ledge.
Key words: opencast, cryolitezone, above frozen water, thermal condition, mathematical model, thermal stability, thermal isolation, rocks.
REFERENCES
1. Glozman G.R. i dr. Ustojchivost' bortov kar'erov v uslovijah mnogoletnej merzloty (Stability of the pit in permafrost). Moscow. Izd-vo Min Cvet Met SSSR, 1975. 51 p.
2. Tkach S.M., Kurilko A.S. Osobennosti jekspluatacii glubokih kimberlitovyh kar'erov Jakutii (Features of operation of deep kimberlite open pits of Yakutia) // Glubokie kar'ery: Vserossijskaja nauchno-tehnicheskaja konferencija s mezhdunarodnym uchastiem [sb. dokl.], g. Apatity. Sankt-Peterburg, 18-22 ijunja 2012. Apatity; SPb., 2012. pp. 91-100.
3. Pevzner M. E. Bor'ba s deformacijami gornyh porod na kar'erah (Suppression of the deformation of rocks in the quarries). Moscow. «Nedra», 1978. 255 p.
4. Shepeljov V. V. Nadmerzlotnye vody. Osobennosti formirovanija i rasprostranenija (Namerzanie water. Features of formation and distribution). Jakutsk: Izd-vo In-ta merzlotove-denija SO RAN, 1995. 46 p.
5. Izakson M. V. Upravlenie ustojchivost'ju ustupov glubokih kar'erov v mnogoletnej merzlote teploizolirujushhimi jekranami (Management of resistant ledges of deep open pits in the permafrost insulating screens): avtoref. diss. kand. tehn. nauk: 25.00.20. Kemerevo, 2006. 24 p.
6. Kurilko A.S., Kiselev V.V., Hoholov Ju.A., Romanova E.K. Regulirovanie teplo-vogo rezhima podzemnyh sooruzhenij skladskogo i special'nogo naznachenija v uslovijah Severa (Regulation of thermal mode of underground facilities, warehouse and special purpose in the North) / A.S. Kurilko, V.V. Kiselev, Ju.A. Hoholov, E.K. Romanova, Ros. akad. nauk, Sib. otdelenie, Uchrezhdenie Ros. akad. nauk In-t gornogo dela Severa im. N.V. Cherskogo SO RAN. Jakutsk: Izd-vo In-ta merzlotovedenija SO RAN, 2011. 246 p.
